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动态分区分配算法中的首次适应算法详解

2022-09-194.4k 阅读

动态分区分配算法概述

在操作系统的内存管理中，动态分区分配算法是一种重要的内存分配策略。相较于固定分区分配算法（预先将内存划分为若干个固定大小的分区，每个分区大小在系统运行期间不可改变），动态分区分配算法在程序装入内存时，根据程序的实际需求动态地划分内存空间，这种灵活性使得内存的利用率得到显著提高。

动态分区分配算法的核心思想是，系统在运行过程中，根据进程对内存的申请，从空闲内存区域中找出一块大小足够的分区分配给该进程。当进程运行结束释放内存时，系统又将该进程占用的内存区域重新标记为空闲，以便后续其他进程申请内存时再次分配。常见的动态分区分配算法包括首次适应算法（First Fit）、最佳适应算法（Best Fit）、最坏适应算法（Worst Fit）等。每种算法都有其独特的实现方式和优缺点，适用于不同的应用场景。

首次适应算法的基本原理

首次适应算法是动态分区分配算法中较为简单且直观的一种。其基本原理是：当有进程请求分配内存时，系统从空闲分区链表的起始位置开始顺序查找，直到找到一个大小能够满足进程需求的空闲分区为止。然后，将该空闲分区划分为两部分，一部分分配给请求的进程，另一部分则作为新的空闲分区留在空闲分区链表中。

具体来说，首次适应算法维护一个空闲分区链表，链表中的每个节点代表一个空闲分区，节点中记录了该空闲分区的起始地址和大小等信息。当进程请求分配内存时，算法从链表头开始遍历链表，依次检查每个空闲分区的大小是否满足进程的需求。一旦找到满足条件的空闲分区，就将该分区分配给进程。如果该空闲分区的大小大于进程请求的大小，则将剩余部分作为一个新的空闲分区插入到空闲分区链表中，其起始地址为原空闲分区的起始地址加上已分配给进程的大小，大小为原空闲分区大小减去已分配给进程的大小。

例如，假设当前系统中有一个空闲分区链表，链表节点依次为：空闲分区A（起始地址100K，大小200K）、空闲分区B（起始地址300K，大小150K）、空闲分区C（起始地址450K，大小100K）。此时有一个进程请求120K的内存空间。首次适应算法从链表头开始遍历，首先检查空闲分区A，由于其大小200K大于120K，满足进程需求。于是将空闲分区A的前120K分配给该进程，剩余的80K作为一个新的空闲分区（起始地址220K，大小80K）插入到空闲分区链表中，位于空闲分区B之前。

首次适应算法的数据结构设计

为了实现首次适应算法，需要设计合适的数据结构来表示内存中的空闲分区和已分配分区。通常，我们可以使用链表来管理空闲分区，每个链表节点包含以下信息：

  1. 起始地址（start_address）：空闲分区在内存中的起始位置。
  2. 分区大小（size）：空闲分区的大小，以字节为单位。
  3. 指向下一个空闲分区的指针（next）：用于将所有空闲分区链接成一个链表。

在C语言中，可以定义如下结构体来表示空闲分区链表节点：

typedef struct FreePartition {
    int start_address;
    int size;
    struct FreePartition *next;
} FreePartition;

同时，为了管理已分配分区，也可以使用类似的链表结构，每个节点记录已分配分区的起始地址、大小以及所属进程的相关信息。这里为了简化，假设已分配分区链表节点只包含起始地址和大小信息，定义如下：

typedef struct AllocatedPartition {
    int start_address;
    int size;
    struct AllocatedPartition *next;
} AllocatedPartition;

另外，还需要一个全局变量来记录空闲分区链表的头指针和已分配分区链表的头指针，如下：

FreePartition *free_list_head = NULL;
AllocatedPartition *allocated_list_head = NULL;

首次适应算法的实现步骤

  1. 初始化内存：在系统启动时，将整个可用内存空间作为一个空闲分区插入到空闲分区链表中。假设系统总内存大小为1024K，初始化代码如下：
void initialize_memory() {
    FreePartition *initial_free = (FreePartition *)malloc(sizeof(FreePartition));
    initial_free->start_address = 0;
    initial_free->size = 1024;
    initial_free->next = NULL;
    free_list_head = initial_free;
}
  1. 内存分配：当有进程请求分配内存时，从空闲分区链表的头开始查找，找到第一个大小满足请求的空闲分区进行分配。分配函数实现如下：
int allocate_memory(int requested_size) {
    FreePartition *current = free_list_head;
    FreePartition *prev = NULL;
    while (current != NULL) {
        if (current->size >= requested_size) {
            AllocatedPartition *new_allocated = (AllocatedPartition *)malloc(sizeof(AllocatedPartition));
            new_allocated->start_address = current->start_address;
            new_allocated->size = requested_size;
            new_allocated->next = allocated_list_head;
            allocated_list_head = new_allocated;

            if (current->size > requested_size) {
                FreePartition *new_free = (FreePartition *)malloc(sizeof(FreePartition));
                new_free->start_address = current->start_address + requested_size;
                new_free->size = current->size - requested_size;
                new_free->next = current->next;
                if (prev == NULL) {
                    free_list_head = new_free;
                } else {
                    prev->next = new_free;
                }
            } else {
                if (prev == NULL) {
                    free_list_head = current->next;
                } else {
                    prev->next = current->next;
                }
            }
            free(current);
            return new_allocated->start_address;
        }
        prev = current;
        current = current->next;
    }
    return -1; // 分配失败
}
  1. 内存释放：当进程运行结束释放内存时，需要将其占用的内存区域重新标记为空闲，并插入到空闲分区链表中。释放函数实现如下：
void free_memory(int start_address) {
    AllocatedPartition *current = allocated_list_head;
    AllocatedPartition *prev = NULL;
    while (current != NULL && current->start_address != start_address) {
        prev = current;
        current = current->next;
    }
    if (current == NULL) {
        return;
    }
    FreePartition *new_free = (FreePartition *)malloc(sizeof(FreePartition));
    new_free->start_address = current->start_address;
    new_free->size = current->size;
    new_free->next = NULL;

    if (prev == NULL) {
        allocated_list_head = current->next;
    } else {
        prev->next = current->next;
    }
    free(current);

    // 合并相邻空闲分区
    FreePartition *merge_candidate = free_list_head;
    FreePartition *merge_prev = NULL;
    while (merge_candidate != NULL && merge_candidate->start_address < new_free->start_address) {
        merge_prev = merge_candidate;
        merge_candidate = merge_candidate->next;
    }
    if (merge_candidate != NULL && merge_candidate->start_address == new_free->start_address + new_free->size) {
        new_free->size += merge_candidate->size;
        if (merge_prev == NULL) {
            free_list_head = merge_candidate->next;
        } else {
            merge_prev->next = merge_candidate->next;
        }
        free(merge_candidate);
    }
    if (merge_prev != NULL && merge_prev->start_address + merge_prev->size == new_free->start_address) {
        merge_prev->size += new_free->size;
        free(new_free);
    } else {
        if (merge_prev == NULL) {
            free_list_head = new_free;
        } else {
            new_free->next = merge_prev->next;
            merge_prev->next = new_free;
        }
    }
}

首次适应算法的优点

  1. 简单高效：首次适应算法的实现逻辑相对简单，查找空闲分区的过程是从链表头开始顺序查找，不需要对空闲分区链表进行排序或复杂的计算。这种简单性使得算法的执行效率较高，在处理内存分配请求时能够快速做出响应。例如，在一些实时性要求较高的系统中，进程需要尽快获得内存资源以继续执行任务，首次适应算法能够快速地为进程分配内存，满足实时性需求。
  2. 倾向于使用低地址空间：由于算法从空闲分区链表的起始位置开始查找，这使得低地址的空闲分区更容易被优先分配。对于一些对内存地址有特定要求的程序（如一些设备驱动程序可能需要加载到特定的低地址区域），首次适应算法在一定程度上能够满足这种需求。同时，低地址空间的频繁使用也有助于保持高地址空间的连续性，为后续可能到来的大内存需求进程保留较大的空闲分区。

首次适应算法的缺点

  1. 碎片问题：随着内存分配和释放操作的不断进行，首次适应算法容易产生内存碎片。由于每次分配都从链表头开始查找，低地址空间的空闲分区会被优先使用并不断被分割，导致低地址区域出现大量小的空闲分区。这些小的空闲分区由于大小不足以满足后续进程的内存需求，而无法被有效利用，从而形成碎片。例如，在一个长期运行的系统中，不断有小进程申请和释放内存，低地址空间可能会被分割成许多零散的小空闲分区，而高地址空间却存在较大的连续空闲分区，但由于首次适应算法的特性，这些高地址的大空闲分区无法被充分利用。
  2. 查找效率逐渐降低：随着空闲分区链表的增长和碎片化程度的加剧，每次查找满足条件的空闲分区时，需要遍历的链表节点数量可能会越来越多。因为算法总是从链表头开始查找，即使高地址区域存在合适的空闲分区，也必须先遍历完低地址区域的众多小空闲分区节点，这导致查找效率逐渐降低，进而影响整个系统的性能。

首次适应算法在实际操作系统中的应用案例

  1. Linux 早期版本的内存管理：在Linux操作系统的早期版本中，内存管理子系统采用了类似首次适应算法的策略来分配内存。这种简单直接的分配方式在当时的硬件条件和应用场景下，为Linux系统提供了较为高效的内存管理支持。例如，在一些嵌入式Linux系统中，由于硬件资源有限，简单的首次适应算法能够在保证系统基本功能的前提下，有效地管理内存资源，满足嵌入式设备上各种应用程序的内存需求。
  2. 小型实时操作系统：在一些小型实时操作系统中，首次适应算法也得到了广泛应用。这些系统通常对实时性和简单性要求较高，首次适应算法的快速分配特性能够满足实时任务对内存快速获取的需求。同时，其简单的实现方式也便于在资源有限的小型系统中进行移植和优化。例如，在一些工业控制领域的实时操作系统中，用于控制生产设备的实时任务需要在短时间内获得内存资源以处理传感器数据和控制指令，首次适应算法能够快速响应这些任务的内存请求，保证生产过程的稳定运行。

首次适应算法的优化方向

  1. 改进空闲分区链表的组织方式：为了减少碎片问题和提高查找效率，可以对空闲分区链表的组织方式进行改进。例如，可以将空闲分区链表按照分区大小进行排序，使得小的空闲分区在前，大的空闲分区在后。这样在分配内存时，优先使用小的空闲分区，尽量保留大的空闲分区，减少大内存需求进程因碎片问题无法分配到足够内存的情况。同时，在查找空闲分区时，可以采用二分查找等更高效的查找算法，提高查找速度。
  2. 引入预分配和合并策略：可以在系统运行过程中，根据进程的内存使用模式和历史数据，对一些可能频繁申请内存的进程进行预分配。例如，对于某些周期性运行且内存需求相对稳定的进程，可以预先为其分配一定大小的内存块，并在其运行结束后将内存块回收再利用。此外，加强内存释放时的合并策略，不仅合并相邻的空闲分区，还可以考虑对不相邻但大小合适的空闲分区进行合并，进一步减少碎片的产生。

通过对首次适应算法的深入理解和优化，可以使其在不同的应用场景下更好地发挥作用，提高操作系统内存管理的效率和性能。同时，也为研究其他动态分区分配算法以及更高级的内存管理技术奠定基础。在实际应用中，需要根据具体的系统需求和特点，选择合适的内存分配算法或对现有算法进行优化，以实现内存资源的合理利用和系统性能的提升。